KR101443489B1 - 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저융점의 도펀트가 액화 또는 기화되더라도 안정적으로 균일하게 실리콘 융액에 투입할 수 있는 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치에 관한 것이다.
본 발명은 실리콘 융액이 담겨진 도가니; 상기 실리콘 융액에 도핑될 도펀트가 올려지고, 액화된 도펀트가 흘러내리도록 안내하는 홀이 구비된 로더(Loader); 상기 로더를 수용하고, 상기 로더로부터 기화된 도펀트를 실리콘 융액으로 안내하는 커버(Cover); 및 상기 커버와 로더를 상기 도가니 측의 실리콘 융액에 근접하도록 승강시키는 승강부;를 포함하는 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치를 제공한다.

Description

단결정 제조장비의 도펀트 주입장치 {DOPANT FEEDER FOR SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING EQUIPMENT}
본 발명은 저융점의 도펀트가 액화 또는 기화되더라도 안정적으로 균일하게 실리콘 융액에 투입할 수 있는 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체소자용 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼는 적절한 비저항 값을 갖기 위하여, 실리콘 단결정의 성장 공정에서 P-type 또는 N-type의 도펀트(dopant)가 첨가된다.
또한, P-type 또는 N-type의 도펀트는 다시 융점이 실리콘의 융점보다 높은 고융점 도펀트와 융점이 실리콘의 융점보다 낮은 저융점 도펀트로 구분되는데, 도펀트의 종류에 따라서 실리콘 융액에 도펀트를 첨가하는 방식이 다르다.
대표적인 P-type 고융점 도펀트로는 붕소(B)를 들 수 있는데, 그 융점이 약 2180℃ 로 실리콘의 융점인 1412℃보다 높으므로 실리콘 단결정 성장 준비 단계인 다결정 실리콘을 석영도가니에 적재하는 단계에서 석영도가니 바닥에 다결정 실리콘과 함께 투입하여 용융시킴으로써 실리콘 융액에 도펀트를 첨가하는 것이 가능하다.
한편, 실리콘에 비해 낮은 융점을 갖는 저융점 도펀트로는 안티모니(Sb), 적인(Red Phosphorus), 게르마늄(Ge), 비소(As) 등을 들 수 있는데, 이러한 저융점 도펀트들은 낮은 융점으로 인하여 단결정 성장 공정 중 최초 다결정 실리콘의 용융 단계에서 다결정 실리콘이 완전히 융해되기 전에 용융된 다음, 기화된다.
이와 같이, 기화된 저융점 도펀트는 실리콘 성장로 내의 오염을 유발하는 실리콘 산화물을 제거하기 위하여 흘려주는 Ar 등과 같은 비활성 기체와 함께 성장로의 외부로 배출되어 제거됨으로써 목적하는 비저항값을 갖는 저융점 도펀트가 고농도로 첨가된 실리콘 단결정을 생산할 수 없게 된다.
종래에는 저융점 도펀트의 고농도 주입을 위하여 다결정 실리콘을 완전히 녹인 후에 분말상의 저융점 도펀트를 용융실리콘 표면에 뿌려서 도핑을 실시한다.
그러나, 종래의 분말 형태로 도펀트를 투입하면, 실리콘 융액의 온도가 매우 높아서 도펀트가 완전히 실리콘 융액 내로 녹아 들어가지 못하고, 그 중 약 30%는 기화되어 불활성 기체와 함께 단결정 성장장치 외부로 배출되어 제거된다.
따라서, 저융점 도펀트의 주입농도에 대한 제어가 불완전하며, 저융점 도펀트의 낭비가 발생하고, 저융점 도펀트의 대부분은 유독성의 물질로 성장로의 외부로 배출됨에 따라 환경오염의 원인이 되는 문제점이 있다.
한편, 종래에는 석영 용기에 도펀트를 로딩한 다음, 석영 용기를 실리콘 융액에 디핑하여 도핑을 실시하기도 한다.
그러나, 종래의 도펀트가 로딩된 석영 용기를 직접 실리콘 융액에 투입하면, 실리콘 융액의 온도가 매우 높아서 석영 용기 표면에 빠른 속도로 아이싱(Icing)이 발생하며, 이로 인하여 석영 용기가 균열 및 파손됨에 따라 공정이 중단되는 문제점이 있다.
따라서, 미국공개특허 제2003-0061985호에는 도펀트를 기화시킨 다음, 기화된 도펀트를 석영 튜브를 통하여 실리콘 융액 내부로 공급하여 도핑을 실시하기도 한다.
그러나, 종래의 기화된 도펀트를 석영 튜브를 통해 실리콘 융액에 투입하면, 도펀트가 기화되는 동시에 액화되는데, 기상의 도펀트는 석영 튜브를 통하여 실리콘 융액으로 투입될 수 있지만, 액상의 도펀트는 실리콘 융액으로 투입되지 못하고 잔류됨에 따라 액상의 도펀트가 낭비되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 저융점의 도펀트가 액화 또는 기화되더라도 안정적으로 균일하게 실리콘 융액에 투입할 수 있는 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 실리콘 융액이 담겨진 도가니; 상기 실리콘 융액에 도핑될 도펀트가 올려지고, 액화된 도펀트가 흘러내리도록 안내하는 홀이 구비된 로더(Loader); 상기 로더를 수용하고, 상기 로더로부터 기화된 도펀트를 실리콘 융액으로 안내하는 커버(Cover); 및 상기 커버와 로더를 상기 도가니 측의 실리콘 융액에 근접하도록 승강시키는 승강부;를 포함하는 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치를 제공한다.
본 발명에 따른 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치는 고체 상태의 도펀트가 로더에 올려진 다음, 도펀트가 고온 상태에서 액화 또는 기화되면, 액상의 도펀트가 로더의 홀을 통하여 흘러내러 실리콘 융액으로 공급되고, 기상의 도펀트가 확산되지 않고 커버에 의해 안내되어 실리콘 융액으로 공급되기 때문에 저융점 도펀트가 단결정 제조에 사용되더라도 균일하게 도펀트를 공급할 수 있다.
또한, 로더가 커버 내측에 위치하고, 커버의 최하단만 실리콘 융액이 닿더라도 액상 또는 기상의 도펀트가 실리콘 융액으로 공급되기 때문에 커버가 실리콘 융액과 맞닿더라도 아이싱 발생을 억제하여 균열 및 파손을 방지하여 안정적으로 도핑 공정을 진행할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단결정 제조장비의 일부가 도시된 도면.
도 2는 본 발명에 따른 단결정 제조장비의 도핑 장치가 도시된 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 단결정 제조장비의 도핑 장치가 도시된 저면도.
도 4는 본 발명에 따른 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치 작동 상태가 도시된 도면.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 단결정 제조장비의 일부가 도시된 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 실리콘 융액이 담긴 도가니(110,112)와, 상기 도가니(110,112) 상측에 승강되는 도펀트 투입장치가 구비되는데, 상기 도펀트 투입장치는 로더(Loader : 120)와, 커버(Cover : 130)와, 승강부(140)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 도가니(110,112)는 내부의 석영 도가니(110)와, 외부의 흑연 도가니(120)로 이루어질 수 있으며, 고온의 실리콘 융액을 담을 수 있도록 구성된다.
상기 도가니(110,112) 주변에 히터를 비롯하여 단열재 및 이들을 수용하는 챔버 등도 구비되며, 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 도펀트 장치는 시드 척(Seed chuck)에 장착될 수 있으며, 상기 시드 척이 승강됨에 따라 승강될 수 있다.
물론, 상기 시드 척은 상측에 와이어가 연결되고, 상기 와이어는 상기 챔버 외부의 구동장치와 연결되며, 상기 구동장치가 작동됨에 따라 상기 와이어가 감기거나 풀리면서 상기 시드 척이 승강될 수 있다.
이때, 상기 시드 척은 시드(Seed)가 매달린 상태에서 승강될 수 있는데, 시드는 실리콘 융액(SM)에 잠긴 상태에서 주변에 단결정이 모아지도록 하고, 서서히 인상시키면서 잉곳으로 성장시킬 수 있다.
이와 같이, 상기 시드 척으로부터 잉곳을 성장시키기 전, 상기 시드 척에 상기 도펀트 장치가 매달린 상태에서 승강됨에 따라 도펀트(D)를 액화 또는 기화 상태로 안정적으로 실리콘 융액(SM)으로 공급할 수 있다.
도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 단결정 제조장비의 도핑 장치가 도시된 도면이다.
상기 도펀트 장치는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 덩어리 형태의 고체 상태의 도펀트(D)가 적층되는 로더(120)와, 상기 로더(120)로부터 기화된 도펀트를 실리콘 융액으로 안내하는 커버(130)와, 상기 로더(120)와 커버(130)를 승강시키는 승강부를 포함하도록 구성된다.
상기 로더(120)는 원판형 저면부(121)와, 상기 저면부(121)의 둘레에 상향 돌출된 측면부(122)로 구성되고, 상기 로더의 저면부(121)에는 액상의 도펀트가 흘러내릴 수 있도록 복수개의 홀(120h)이 구비된다.
상기 로더의 저면부(121)는 고체 상태의 도펀트(D)가 적층되기 용이하도록 넓게 형성되는 반면, 상기 로더의 측면부(122)는 액체 상태의 도펀트가 넘치기 용이하도록 높게 형성되지 않는 것이 바람직하며, 한정되지 아니한다.
이와 같은 로더(120)는 실리콘 융액에 담기더라도 품질에 영향을 미치지 않도록 석영 재질로 만들어지는 것이 바람직하다.
상기 커버(130)는 원판형 상면부(131)와, 상기 상면부(131)의 둘레에 하향 돌출된 측면부(132)로 구성되고, 상기 로더(120)를 내측에 수용할 수 있도록 상기 로더(120)보다 크게 구성된다.
상기 커버의 측면부(132)는 상기 로더(120)의 최하단 즉, 저면부(121)보다 더 하측에 위치하게 되는데, 상기 커버의 측면부(132) 최하단이 실제 실리콘 융액에 가장 먼저 담길 수 있도록 위치한다.
상기 커버의 측면부(132)가 실리콘 융액에 담기면, 실리콘 융액과 가정 멀리 위치한 상기 커버의 상면부(131)가 가장 큰 온도차에 의해 높은 열응력이 작용하게 되는데, 상기 커버의 상면부(131)는 열응력을 견딜 수 있는 충격 방지부(133)가 구비될 수 있다.
일예로, 상기 충격 방지부(133)는 상기 커버의 상면부(131) 하측에 중심으로부터 일정 간격을 두고 돌출된 복수개의 돌기 형태로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니하며, 다양한 형태로 구성될 수 있다.
이와 같은 커버(130)도 상기 로더(120)와 마찬가지로 석영 재질로 만들어지는 것이 바람직하다.
상기 승강부(140)는 상기 로더의 저면부(121)와 상기 커버의 상면부(131)를 중심을 관통하도록 연결하는 중심축(141)과, 상기 중심축(141)이 연결될 수 있는 시드 척(142)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 중심축(141) 상단이 상기 시드 척(142)에 끼워질 수 있는 형태로 구성되거나, 다양하게 연결될 수 있다.
물론, 상기 시드 척(142)은 상기 중심축(141)이 매달리더라도 상기에서 설명한 바와 같이 와이어에 의해 구동장치에 연결됨에 따라 승강될 수 있는데, 실리콘 융액의 온도 조건(℃)과 시간당 도펀트 투입량(min/kg)을 고려하여 조절될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치 작동 상태가 도시된 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 상기 로더(120) 위에 저융점 도펀트의 일종인 안티모니(Antimony, Sb)를 덩어리 형태의 고체 상태로 적층시킨다. 이때, 상기 중심축(141)으로부터 상기 커버(130)가 분리된 다음, 상기 로더(120)에 도펀트(D)를 적층시킬 수 있고, 상기 로더(120)와 커버(130) 사이의 공간을 통하여 상기 로더(120)에 도펀트(D)를 적층시킬 수도 있다.
다음, 상기 도펀트 주입장치를 승강시킬 수 있도록 외부의 구동장치에 연결하는데, 상기 중심축(141)을 상기 시드척(142)에 연결시키도록 한다.
따라서, 상기 구동장치가 작동됨에 따라 와이어에 의해 상기 시드척(142) 및 중심축(141)이 하강하면, 상기 커버(130)와 로더(120)가 하강함에 따라 상기 도가니(110,112)에 담긴 실리콘 융액(SM)과 근접하게 된다.
이때, 상기 커버의 측면부(132)가 상기 로더(120)의 최하단보다 하측에 위치하기 때문에 상기 로더(120)와 커버(130)가 실리콘 융액(SM)에 더욱 가까이 근접하게 되더라도 상기 커버의 측면부(132)만 실리콘 융액(SM)에 담기고, 상기 로더(130)는 실리콘 융액(SM)에 잠기지 않도록 조절할 수 있다.
그런데, 실리콘 융액(SM)의 온도가 1420±20℃ 를 유지하면, 저융점 도펀트(D)인 안티모니가 액화되는 동시에 기화된다.
이와 같이, 액화된 도펀트는 상기 로더의 홀들(120h)을 통하여 흘러내려 실리콘 융액(SM)으로 공급되고, 기화된 도펀트는 상승 또는 확산되더라도 상기 커버(130)와 실리콘 융액(SM)의 표면에 의해 밀폐된 내측 공간을 따라 안내되어 실리콘 융액(SM)으로 공급된다.
따라서, 덩어리 형태의 고체 도펀트(D)가 고온의 실리콘 융액(SM)에 가까이 갈수록 액화 또는 기화되는 동시에 모두 실리콘 융액(SM)으로 투입되기 때문에 신속하게 도펀트(D) 투입이 이뤄지도록 할 뿐 아니라 도펀트(D)의 낭비를 줄일 수 있고, 시간당 도펀트 투입량(min/kg)을 균일하게 제어할 수 있다.
또한, 고온의 실리콘 융액(SM)에 커버의 측면부(132) 최하단만 담기기 때문에 로더(120)와 커버(130)에 작용하는 온도차를 줄임으로 열응력에 의한 균열 및 파손을 방지할 수 있고, 실리콘 융액(SM)으로부터 가장 멀리 위치한 커버의 상면부(132)가 온도차에 의해 응력을 받더더라도 충격 방지부(133)에 의해 견딜 수 있어 안정적으로 도펀트(D) 투입 공정을 진행할 수 있다.
110 : 석영 도가니 120 : 로더
130 : 커버 140 : 승강부

Claims (8)

  1. 실리콘 융액이 담겨진 도가니;
    상기 실리콘 융액에 도핑될 도펀트가 올려지고, 액화된 도펀트가 흘러내리도록 안내하는 홀이 구비된 로더(Loader);
    상기 로더를 수용하고, 상기 로더로부터 기화된 도펀트를 실리콘 융액으로 안내하는 커버(Cover); 및
    상기 커버와 로더를 상기 도가니 측의 실리콘 융액에 근접하도록 승강시키는 승강부;를 포함하며,
    상기 커버는 상면부와 측면부로 이루어진 형상이고,
    상기 커버의 측면부 하단이 상기 로더의 최하단보다 낮게 위치한 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로더는 도펀트가 올려지는 저면부 및 측면부로 이루어지고,
    상기 홀은 상기 로더의 저면부에 복수개가 구비된 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 커버의 상면부는 온도차에 의한 응력을 견딜 수 있는 충격 방지부가 구비된 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충격 방지부는 상기 커버의 상면부 저면에 중심으로부터 일정 간격을 두고 단차지게 돌출된 복수개의 돌기로 구성된 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 승강부는,
    도핑 시에 상기 커버의 측면부 하단이 상기 도가니 내부의 실리콘 융액면에 담기도록 하강시키는 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 승강부는,
    상기 로더와 커버의 중심을 연결하는 중심축과,
    상기 중심축이 연결될 수 있고, 잉곳을 인상시키기 위하여 시드가 장착될 수 있는 시드 척(Seed chuck)을 포함하는 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 로더와 커버는 석영 재질로 제작되고,
    상기 도펀트는 안티모니(antimony, Sb)인 단결정 제조장비의 도펀트 주입장치.
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KR20130059491A (ko) * 2011-11-29 2013-06-07 주식회사 엘지실트론 잉곳 성장 장치 및 잉곳 성장 방법

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